JP2014075555A - Thermoelectric conversion power generator - Google Patents
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Description
本発明は、熱電変換モジュールに温度差を与えて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換式発電装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation apparatus that converts a thermal energy into an electrical energy by giving a temperature difference to a thermoelectric conversion module.
熱電変換素子を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電技術が知られている。熱電変換素子は、離間した部位に温度差を与えることで高温部と低温部との間に電位差を生じさせるといったゼーベック効果を利用したもので、温度差が大きいほど発電量も大きくなる。このような熱電変換素子は、複数を接合した熱電変換素子モジュールという形態で用いられる。そして、熱電変換モジュールを加熱部と冷却部との間に挟み、熱電変換モジュールを加熱部によって加熱するとともに冷却部によって冷却することにより熱電変換モジュールに温度差を与えて、熱電変換モジュールから電気を得るといった熱電変換式発電装置が構成される(特許文献1等参照)。 A power generation technique for converting thermal energy into electrical energy using a thermoelectric conversion element is known. The thermoelectric conversion element uses a Seebeck effect in which a potential difference is generated between a high-temperature part and a low-temperature part by giving a temperature difference to a separated part, and the power generation amount increases as the temperature difference increases. Such a thermoelectric conversion element is used in the form of a thermoelectric conversion element module in which a plurality of thermoelectric conversion elements are joined. Then, the thermoelectric conversion module is sandwiched between the heating unit and the cooling unit, and the thermoelectric conversion module is heated by the heating unit and cooled by the cooling unit, thereby giving a temperature difference to the thermoelectric conversion module, and electricity from the thermoelectric conversion module is obtained. A thermoelectric conversion power generation device is obtained (see Patent Document 1).
この種の発電装置においては、例えば車両に搭載されてエンジンの排気ガス等の排熱を利用して発電するよう用いられる。その場合には、発電装置は全体として管状に形成され、排熱である加熱流体を中心の加熱流路に流して加熱部を構成し、加熱部の周囲に熱電変換モジュール、および冷却水が供給される冷却部を配設した構造となる。このような構造においては、加熱部によって冷却部が加熱されると大きな温度差を得ることができにくくなり、発電性能の低下を招くといった問題が生じる。 In this type of power generation device, for example, it is mounted on a vehicle and used to generate power using exhaust heat such as exhaust gas from an engine. In that case, the power generator is formed in a tubular shape as a whole, and a heating fluid is flowed through the central heating flow path to form a heating unit, and a thermoelectric conversion module and cooling water are supplied around the heating unit. It becomes the structure which arrange | positioned the cooling part. In such a structure, when the cooling unit is heated by the heating unit, it becomes difficult to obtain a large temperature difference, which causes a problem that power generation performance is reduced.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、冷却部が加熱部から受ける熱影響を少なくして発電性能の低下を抑えることができる熱電変換式発電装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a main problem thereof is to provide a thermoelectric conversion power generation device that can reduce a thermal effect that the cooling unit receives from the heating unit and suppress a decrease in power generation performance. is there.
本発明の熱電変換式発電装置は、熱電変換モジュールの両側に加熱部および冷却部がそれぞれ配設され、これら加熱部および冷却部によって熱電変換モジュールに温度差が与えられることで発電する熱電変換式発電装置において、前記加熱部は加熱流体が流される加熱流路を有し、この加熱流路の側方であって前記冷却部における該加熱流路の上流側および下流側に対応する各端部の少なくとも一方側に、該加熱部と該冷却部とを隔てる隔室が設けられていることを特徴とする。 The thermoelectric conversion power generation apparatus of the present invention is provided with a heating unit and a cooling unit on both sides of the thermoelectric conversion module, respectively, and the thermoelectric conversion type generates electricity by giving a temperature difference to the thermoelectric conversion module by the heating unit and the cooling unit. In the power generation device, the heating unit has a heating channel through which a heating fluid flows, and each end corresponding to an upstream side and a downstream side of the heating channel in the cooling unit at a side of the heating channel. On at least one side, a compartment that separates the heating unit and the cooling unit is provided.
本発明によれば、加熱部と冷却部との間に設けられた隔室の断熱効果によって加熱部から冷却部への熱影響が抑えられ、発電性能の低下が抑えられる。 According to the present invention, the heat effect from the heating unit to the cooling unit is suppressed by the heat insulating effect of the compartment provided between the heating unit and the cooling unit, and the decrease in power generation performance is suppressed.
本発明では、前記隔室内に、前記熱電変換モジュールから引き出される電気導線が配線されている形態を含む。この形態によれば、隔室内に配線された電気導線が加熱部からの熱影響を受けにくくなるため、電気導線の劣化が抑えられ、装置の信頼性を向上させることができる。 The present invention includes a mode in which an electrical lead drawn from the thermoelectric conversion module is wired in the compartment. According to this aspect, since the electric conducting wire wired in the compartment is hardly affected by the heat from the heating unit, deterioration of the electric conducting wire can be suppressed and the reliability of the apparatus can be improved.
また、本発明では、前記隔室は、前記加熱流路の下流側に配設されており、この下流側の隔室に前記電気導線が配線されている形態を含む。この形態によれば、加熱流体は上流側よりも下流側の方が温度が低下しているため、隔室が上流側に配設されている場合よりも電気導線への温度影響を低減させることができ、電気導線の劣化を抑える点で、より有効である。 Moreover, in this invention, the said compartment is arrange | positioned in the downstream of the said heating flow path, and the form by which the said electrical conducting wire is wired by this downstream compartment is included. According to this embodiment, since the temperature of the heated fluid is lower on the downstream side than on the upstream side, the temperature influence on the electrical conductor can be reduced more than when the compartment is arranged on the upstream side. This is more effective in terms of suppressing deterioration of the electrical conductor.
また、本発明では、前記熱電変換モジュールは密閉容器内に収容され、該密閉容器の外側に、前記加熱部、前記冷却部および前記隔室が設けられ、該密閉容器が減圧される形態を含む。この形態によれば、熱電変換モジュールが加熱されにくくなるため耐酸化性が向上し、熱電変換モジュールの劣化が抑えられて発電性能の向上が図られる。また、隔室内は大気状態でよいため、電気導線を隔室から装置外部へ貫通させる部分に高い気密性は求められない。また、電気導線を冷却部に通す構造ではないため、電気導線を冷却部に貫通させる気密封止の構造も不要である。これらの点で、装置の簡素化が図られるとともに信頼性が向上する。 In the present invention, the thermoelectric conversion module is housed in a sealed container, and the heating unit, the cooling unit, and the compartment are provided outside the sealed container, and the sealed container is decompressed. . According to this form, since the thermoelectric conversion module is hardly heated, oxidation resistance is improved, deterioration of the thermoelectric conversion module is suppressed, and power generation performance is improved. In addition, since the compartment may be in an atmospheric state, high airtightness is not required in the portion where the electric conducting wire penetrates from the compartment to the outside of the apparatus. Further, since the electric conducting wire is not passed through the cooling unit, an airtight sealing structure that allows the electric conducting wire to pass through the cooling unit is unnecessary. In these respects, the apparatus is simplified and the reliability is improved.
本発明によれば、冷却部が加熱部から受ける熱影響を少なくして発電性能の低下を抑えることができる熱電変換式発電装置が提供されるといった効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, there exists an effect that the thermoelectric conversion type electric power generating apparatus which can reduce the thermal influence which a cooling part receives from a heating part, and can suppress the fall of electric power generation performance is provided.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
[1]熱電変換式発電装置の全体構成
図1〜図6は、一実施形態の熱電変換式発電装置(以下、発電装置)1を示している。この発電装置1は、密閉容器3を有する複数の発電ユニット2が図中Y方向に冷却部5Aを挟んで並列状態で積層され、装置1全体の両側面、すなわちY方向両端部にも冷却部5Bが配設された構成となっている。発電ユニット2の数は任意であり、この場合は4つの発電ユニット2を積層して発電装置1を構成している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[1] Overall Configuration of Thermoelectric Conversion Power Generation Device FIGS. 1 to 6 show a thermoelectric conversion power generation device (hereinafter referred to as a power generation device) 1 according to an embodiment. In this
密閉容器3は、縦断面(Y−Z断面)がZ方向に長い略直方体の箱状の筐体30と、筐体30内の中央部に配設された縦断面がZ方向に長い扁平管状の流通管35と、X方向両端の開口を塞ぐ封止カバー38(図6参照)とから構成されている。筐体30および流通管35はいずれもX方向の両端が開口しており、流通管35の内部が、後述する加熱流体がX方向に流される加熱流路351となっている。
The
図7に示すように、筐体30は、X−Z面と平行な互いに対向する一対の可動板部31と、可動板部31の上下の端縁を連結する平板状の一対の端板部32とにより、略直方形の箱状に形成されている。また、流通管35は、X−Z面と平行な互いに対向する一対の内板部36と、内板部36の上下の端縁を連結する断面半円弧状の一対の湾曲部37とにより、扁平管状に形成されている。
As shown in FIG. 7, the
流通管35の内部、すなわち密閉容器3内の加熱流路351には、フィン352が配設されている。フィン352は、例えば板材を折り曲げ加工して波板状に形成したもので、屈曲部の外側が内板部36の内面に当接した状態でろう付け等の接合手段で接合されている。本実施形態では、加熱流路351にフィン352が配設され、加熱流体が流される流通管35によって加熱部35Aが構成されている。
Fins 352 are disposed inside the
密閉容器3内、すなわち筐体30の内面と流通管35の外面との間には、縦断面がZ方向に長い略環状の内部空間3aが形成されている。そして、この内部空間3aにおけるY方向両側には、筐体30の可動板部31と流通管35の内板部36との間に挟まれた状態で、熱電変換モジュール4がそれぞれ配設されている。
A substantially annular
内部空間3aのY方向両側の領域に熱電変換モジュール4が一対の状態で配設された複数の密閉容器3は、図4および図6に示すように、可動板部31間に冷却部5Aを挟んでY方向に並列して積層される。また、Y方向両端の可動板部31の外面にも、それぞれ冷却部5Bが配設される。以下、密閉容器3間の冷却部5Aを中間冷却部5A、Y方向両端部の冷却部5Bを端部冷却部5Bと称する。
As shown in FIGS. 4 and 6, the plurality of sealed
熱電変換モジュール4は、図8に示すように、平面状に並べられた複数の熱電変換素子41の、一方側の面および他方側の面を、銅等からなる電極42によりジグザグ状に連結して構成されたもので、一方の面側の電極42が流通管35の内板部36の内面にろう付け等の接合手段で接合されている。また、熱電変換モジュール4の他方の面側の電極42は、筐体30の可動板部31の、後述する内側剛性部312の内面に当接している。すなわち、熱電変換モジュール4は内側剛性部312と非接合状態であり、双方は互いの当接面に沿って相対移動可能となっている。
As shown in FIG. 8, the
熱電変換モジュール4を構成する熱電変換素子41は、耐熱温度が高い種類が用いられ、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、マグネシウム−シリコン系、マンガン−シリコン系、珪化鉄系等が好適に用いられる。図7(a)に示すように、流通管35の両側の熱電変換モジュール4は、下端部が接続導線45で接続されており、これら両側の熱電変換モジュール4で、1つの発電ユニット2の電源を構成する。そして、図6に示すように、流通管35の両側の各熱電変換モジュール4からは、リード線(本発明の電気導線)46が、それぞれ1つずつ接続されている。
As the
[2]密閉容器の構成
上記密閉容器3の筐体30を構成する可動板部31は、図7に示すように、外形が長方形の枠状に形成された外側剛性部311と、外側剛性部311の内側に配設された外側剛性部311と同じ厚さの内側剛性部312と、外側剛性部311と内側剛性部312との間に形成される一定幅の隙間314を塞ぐ状態に配設された各剛性部311,312の厚さよりも薄い変形部313とを有している。
[2] Configuration of Airtight Container As shown in FIG. 7, the
外側剛性部311の内縁311aは略長円形状に形成されており、内側剛性部312の外縁312aは、外側剛性部311の内縁311aから一定の隙間314を空けて略長円形状に形成されている。内側剛性部312の外面には、可撓性を有する薄板315がろう付け等の接合手段で接合されている。この薄板315は各剛性部311,312の間の隙間314を覆って外側剛性部311の外面に達する大きさを有しており、外縁部が外側剛性部311の外面にろう付け等の接合手段で接合されている。この薄板315により剛性部311,312どうしが同一平面内に存在するように連結された状態となっている。本実施形態では剛性部311,312どうしが同一平面内に存在しているが、各剛性部311,312の位置関係はこれに限定されず、いずれか一方が内側にずれた状態で薄板315により連結されている構成であってもよい。
The
薄板315の隙間314を覆う部分が可撓性を有する略環状の変形部313を構成している。図8に示すように、変形部313の幅方向中央部には、内側に向けて突出する凸条部313aが全周にわたって形成されている(二点鎖線)。
A portion of the
外側剛性部311のZ方向の両側の端縁は端板部32に一体化した状態に形成されている。すなわち上下一対の端板部32に両側の外側剛性部311が一体成形されており、外側剛性部311に薄板315を介して内側剛性部312が接合されて、筐体30が構成されている。内側剛性部312は、熱電変換モジュール4を覆う大きさを有し、熱電変換モジュール4の片面全面に当接した状態となっている。
Edges on both sides in the Z direction of the outer
密閉容器3の上側の端板部32には複数の減圧封止口321が設けられており、これら減圧封止口321を利用して密閉容器3内の内部空間3aは減圧される。密閉容器3内が減圧されると、可撓性を有する変形部313は図8の実線に示すように凸条部313aが内側にさらに突出するように変形する。
A plurality of
図6に示すように、密閉容器3の内部空間3aのX方向両側の開口は、断面が内側にへこんだ断面U字状で全体としては長円環状の封止カバー38で塞がれている。封止カバー38は、可動板部31の外側剛性部311の内面と、流通管35のX方向端部の外面に気密的に接合されている。密閉容器3の内部空間3aは、筐体30、流通管35および封止カバー38によって気密的に封止されている。そして、各密閉容器3の筐体30のX方向両端面には、図5および図6に示すように外側カバー33が接合され、本装置1のX方向両側が、この外側カバー33で覆われている。各流通管35のX方向両端部は各筐体30から突出しており、この突出端部は、外側カバー33に形成された流通管挿入孔331を貫通して外部に突出している。なお、図1および図2の装置全体図では、密閉容器3内や中間冷却部5Aを示すために、外側カバー33を図示していない。
As shown in FIG. 6, the openings on both sides in the X direction of the
本実施形態においては、図8に示すように、熱電変換モジュール4の内側に加熱部35Aが配設され、熱電変換モジュール4の外側に冷却部5A,5Bが配設されている。加熱部35Aの流通管35内の加熱流路351内には、加熱流体Hが一方向(この場合、左から右)に流され、加熱流路351の側方の冷却部5A,5Bにおける加熱流路351の上流側および下流側に対応する各端部、すなわち冷却部5A,5BのX方向両側の端部には、封止カバー38と外側カバー33とによって仕切られる隔室39が、それぞれ形成されている。これら隔室39は、加熱部35Aおよび冷却部5A,5Bと隔てられている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, the
図6および図8に示すように、下流側の各隔室39には、各熱電変換モジュール4から引き出されたリード線46が挿入されて配線されている。これらリード線46のうち、中間冷却部5Aの両側のリード線46は隔室39内で接続されており、端部冷却部5B側のリード線46は外側カバー33を貫通して装置外に引き出されている(図1および図2参照)。したがって本装置1では、内部の複数の熱電変換モジュール4が直列に接続され、+・−の2本の外部リード線46が装置外に引き出されており、これらリード線46から電気が取り出されるようになっている。隔室39は環状に形成されており、図1および図2に示すように、リード線46はこれら図で流通管35の上端部に対応する位置において熱電変換モジュール4から引き出され、配線されている。
As shown in FIGS. 6 and 8, lead
密閉容器3は、減圧封止口321から内部の空気を吸引して密閉容器3内の内部空間3aを所定圧力(例えば1〜100Pa程度)に減圧し、減圧封止口321を溶接するなどして気密的に封止した状態とされる。密閉容器3内が減圧されると、可動板部31の可撓性を有する変形部313は、図8の実線に示すように凸条部313aが内側にさらに突出するように変形し、これにより内側剛性部312は熱電変換モジュール4に均一に密着した状態となる。
The sealed
[3]冷却部
中間冷却部5Aおよび端部冷却部5Bは、それぞれ冷却ケース53A,53Bを備えている。中間冷却部5Aの冷却ケース53Aは、可動板部31の外側剛性部311の周縁に沿った枠状に形成されており、隣接する外側剛性部311の間に挟まれ、これら外側剛性部311の外面周縁部に接合されている。すなわち本装置1においては、隣接する筐体30は、隣接する外側剛性部311どうしが冷却ケース53Aを介して接合された状態となっている。冷却ケース53Aと、冷却ケース53Aを挟む両側の可動板部31とで囲まれた中間冷却部5Aの内部には、冷却水の流路となって可動板部31を冷却する冷却ジャケット53aが形成されている。
[3] Cooling unit The
一方、端部冷却部5Bの冷却ケース53Bは、端部の可動板部31を覆う蓋状に形成されており、片面側に形成された浅い凹所を可動板部31側に向けて、端縁が外側剛性部311の外面周縁部に接合されている。冷却ケース53Bの内面と可動板部31とで囲まれた端部冷却部5Bの内部には、冷却水が供給されて可動板部31を冷却する冷却ジャケット53bが形成されている。
On the other hand, the
中間冷却部5Aおよび端部冷却部5Bの各冷却ケース53A,53Bの、下端面には冷却水供給口51が、また、上端面には冷却水排水口52が、それぞれ形成されている。冷却水供給口51および冷却水排水口52はX方向の中央に形成されており、冷却水供給口51および冷却水排水口52には、それぞれ図示せぬ冷却水供給管および排水管が接続される。
In each of the
中間冷却部5Aおよび端部冷却部5Bの冷却ジャケット53a,53b内には、可動板部31の内側剛性部312と熱電変換モジュール4に当接するフィン7が複数設けられている。
A plurality of
[4]発電装置の作用
上記構成からなる発電装置1では、各冷却ジャケット53a,53b内に冷却水を供給して流通させ、密閉容器3の可動板部31を冷却する。一方、各流通管35の加熱流路351に、一端側から他端側に向けて高温の加熱流体Hを流して流通管35を加熱する。冷却された可動板部31の温度は熱電変換モジュール4の外面側に伝わり、熱電変換モジュール4の外面側が冷却され、一方、加熱された流通管35の内板部36の温度は熱電変換モジュール4の内面側に伝わり、熱電変換モジュール4の内面側が加熱される。加熱流体Hは加熱流路351を流れることで拡散せず、流通管35の内板部36が効率よく加熱される。
[4] Action of Power Generation Device In the
本実施形態では、筐体30の可動板部31が冷却側の板部材となり、流通管35の内板部36が加熱側の板部材を構成する。このようにして熱電変換モジュール4の外面側と内面側に温度差が与えられることで、熱電変換モジュール4は発電し、外部リード線46から電気が取り出される。
In the present embodiment, the
本実施形態の発電装置1は、例えば工場やゴミ焼却炉で発生する排熱ガスや、自動車の排気ガスなどが、上記加熱流体Hとして利用される。
In the
[5]一実施形態の作用効果
上記一実施形態の発電装置1によれば、加熱部35Aと冷却部5A,5Bとの間に設けられた隔室39の断熱効果によって加熱部35Aから冷却部5A,5Bへの熱影響が抑えられ、発電性能の低下が抑えられる。特に、加熱流体Hの上流側に隔室39が配されていることにより、下流側よりも高温である加熱流体Hからの高熱の影響を冷却部5A,5Bは受けにくい構造となっている。
[5] Operational Effect of One Embodiment According to the
また、下流側の隔室39内に、熱電変換モジュールから引き出されるリード線46が配線されており、このため、リード線46が加熱部からの熱影響を受けにくくリード線46の劣化が抑えられ、装置の信頼性を向上させることができる。本実施形態では、下流側の隔室39内にリード線46が配線されているため、下流側の加熱流体Hは上流側よりも温度が低下しており、したがってリード線46への温度影響をより低減させることができ、劣化を抑える点で、より有効となっている。
Moreover, the
また、熱電変換モジュール4は減圧される密閉容器3内に収容されているため、熱電変換モジュール4は加熱部39Aから加熱されにくく、その結果、耐酸化性が向上して劣化が抑えられ、この点でも発電性能の向上が図られる。また、隔室39内は大気状態であることから、リード線46を隔室39から装置外部へ貫通させる部分の気密性は不要である。また、リード線46を冷却部5A,5Bに通す構造ではないため、リード線46を冷却部5A,5Bに貫通させる気密封止の構造も不要である。これらの点で、装置の簡素化が図られるとともに信頼性の向上が図られる。
Further, since the
なお、上記実施形態においては、熱電変換モジュール4と、冷却側の板部材(この場合、密閉容器3における可動板部31の内側剛性部312)および加熱側の板部材(この場合、密閉容器3における流通管35の内板部36)の少なくとも一方との間に、例えば柔軟性を有する材料からなる緩衝材を配設する構成としてもよい。このような構成の場合には、密閉容器3が該緩衝材を介して熱電変換モジュール4に加圧状態で当接し、熱電変換モジュール4が緩衝材で保護される。
In the above embodiment, the
1…熱電変換式発電装置
3…密閉容器
35A…加熱部
351…加熱流路
39…隔室
4…熱電変換モジュール
46…リード線(電気導線)
5A,5B…冷却部
H…加熱流体
DESCRIPTION OF
5A, 5B ... Cooling part H ... Heated fluid
Claims (4)
前記加熱部は加熱流体が流される加熱流路を有し、
この加熱流路の側方であって前記冷却部における該加熱流路の上流側および下流側に対応する各端部の少なくとも一方側に、該加熱部と該冷却部とを隔てる隔室が設けられていることを特徴とする熱電変換式発電装置。 In the thermoelectric conversion power generator that generates power when a heating unit and a cooling unit are respectively disposed on both sides of the thermoelectric conversion module and a temperature difference is given to the thermoelectric conversion module by the heating unit and the cooling unit.
The heating unit has a heating channel through which a heating fluid flows,
A compartment that separates the heating unit and the cooling unit is provided at a side of the heating channel and at least one end of each end of the cooling unit corresponding to the upstream side and the downstream side of the heating channel. A thermoelectric conversion power generation device characterized by being provided.
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